面向攀爬功能的超声致动器研究

作     者：李洪莲 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘军考;陈维山

授予年度：2012年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070206[理学-声学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：超声致动器 攀爬 直线 弯振复合 运动轨迹 

摘      要：超声电机作为上世纪80年代发展起来的一种新型驱动器，借助其突出的优点在新型微特电机领域中脱颖而出，成为各国学者研究的焦点。到目前为止，超声电机已经在诸多领域中替代传统的电磁电机并成功应用，但是却始终没有突破其在系统中充当动力源或动力传递环节的角色。随着系统集成化概念的提出，利用单个物件实现多个子系统功能的需求越来越多。面向攀爬功能的超声致动器将支撑系统、传动系统、执行系统集成为一体，简化了系统结构，拓宽了超声电机的应用领域。 近年来，模态复合型超声电机凭借其出力大、速度快的优点得到学者们的青睐，但是其存在模态特征频率简并等问题。弯振复合型超声电机采用同阶正交弯振模态的组合实现了双足致动并且成功的避免了模态特征频率简并问题。基于这种模态组合方式，本文提出了一种新型的高阶弯振复合型超声致动器，借助于攀爬机构，实现了其在挠性体(钢带)上的攀爬功能。 本文从弯振陶瓷激励矩形截面梁的三阶弯振原理入手，详细介绍了压电陶瓷的极化方式以及布置方式、弯振复合型超声致动器以及攀爬机构的结构、材料选择、致动原理。进行了致动器结构尺寸参数对致动器模态特征频率影响的灵敏度分析，得到了致动器各尺寸参数对模态特征频率的影响规律;以压电振子的等效电路模型为基础，对致动器模型进行了电学特性仿真分析，并研究了其导纳特性;推导了驱动足表面质点的运动轨迹方程，并利用ANSYS软件进行了瞬态动力学分析，验证了理论分析结果。最后，在上述理论与仿真分析的基础上，研制了面向攀爬功能超声致动器的样机，利用多普勒激光测振仪测试了致动器的振型，利用安捷伦精密阻抗分析仪测试了致动器的阻抗特性，并且进行了攀爬实验。实验结果表明：致动器空载最大水平攀爬速度为542mm/s，最大竖直攀爬速度为418mm/s，可以带动最大负载为23N，为致动器自重的11.5倍。